金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)

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1、結(jié)構(gòu) 原 子 結(jié) 構(gòu)原 子 的 空間 排 列 顯 微 組 織 第 一 章 金 屬 和 合 金 的 晶 體 結(jié) 構(gòu)結(jié)構(gòu) 原 子 結(jié) 構(gòu)原 子 的 空間 排 列 顯 微 組 織 原 子 核 外 電 子 的 排 布方 式 顯 著 影 響 材 料 的電 、 磁 、 光 和 熱 性 能 ，還 影 響 到 原 子 彼 此 結(jié)合 的 方 式 ， 從 而 決 定材 料 的 類 型 第 一 章 金 屬 和 合 金 的 晶 體 結(jié) 構(gòu)晶 態(tài) 和 非 晶 態(tài) 。晶 體 結(jié) 構(gòu) 顯 著 影響 材 料 的 力 學(xué) 性能 。 結(jié)構(gòu) 原 子 結(jié) 構(gòu)原 子 的 空間 排 列 顯 微 組 織 第 一 章 金 屬 和 合 金 的

2、 晶 體 結(jié) 構(gòu)晶 粒 的 大 小 、 合金 相 的 種 類 、 數(shù)量 和 分 布 等 參 數(shù) 。 結(jié)構(gòu) 原 子 結(jié) 構(gòu)原 子 的 空間 排 列 顯 微 組 織 第 一 章 金 屬 和 合 金 的 晶 體 結(jié) 構(gòu)第 一 章 金 屬 和 合 金 的 晶 體 結(jié) 構(gòu)第 一 章 金 屬 和 合 金 的 晶 體 結(jié) 構(gòu)第 一 章 金 屬 和 合 金 的 晶 體 結(jié) 構(gòu) 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu) 1.3 合 金 相 結(jié) 構(gòu) 1.4 金 屬 晶 體 缺 陷 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點金 屬 的 定 義 金 屬 是 具 有 正

3、 的 電 阻溫 度 系 數(shù) 的 物 質(zhì) , 通 常具 有 良 好 的 導(dǎo) 電 性 、導(dǎo) 熱 性 、 延 展 性 、 高的 密 度 和 高 的 光 澤 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點原 子 結(jié) 構(gòu) 理 論原 子 原 子 核 質(zhì) 子 (10-8cm,1836倍 )(10-8cm) (10-12cm) 中 子 (10-8cm,1838倍 ) 電 子 (10-13cm) (9.1 10-28g) Example1-1 Calculate the number of atoms in 100g of silver.(The atomic mass of silver is 107.868

4、g/mol. Avogadros number is 6.02X1023/mol) 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點金 屬 原 子 的 結(jié) 構(gòu) 特 點 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點金 屬 原 子 的 結(jié) 構(gòu) 特 點其 最 外 層 的 電 子 數(shù) 很少 ， 一 般 為 1 2個 ，不 超 過 3個 。 價 電 子 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點當 原 子 靠 近 到 一 定 程度 時 ， 原 子 間 會 產(chǎn) 生較 強 的 作 用 力 。結(jié) 合 力外層電子作用形式 穩(wěn) 定 的 八 電 子 排 布 結(jié) 構(gòu) 接 受 或 釋 放 額 外 電 子 共 有 電

5、 子 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點金 屬 鍵 共 有 價 電 子 電 子云 鍵 無 方 向 性 和飽 和 性性 能 特 點 ： 1)良 好 的 導(dǎo) 電 性 及 導(dǎo) 熱 性 ； 2)正 的 電 阻 溫 度 系 數(shù) ； 3)良 好 的 強 度 及 塑 性 ； 4)特 有 的 金 屬 光 澤 。 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點金 屬 鍵 離 子 鍵 共 價 鍵得 失 價 電 子 正 負 離 子 高 熔 點 、 高 硬 度 、 低塑 良 好 的 電 絕 緣 體 等 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點金 屬 鍵

6、 離 子 鍵 共 價 鍵共 有 電 子 對 鍵 有飽 和 性 高 熔 點 、 高 硬度 、 低 塑 性 電 絕 緣 體 等范 德 瓦 爾 鍵 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點形 成 ： 一 個 分 子 的 正電 荷 部 位 與 另 一 分 子的 負 電 荷 部 位 間 以 微弱 靜 電 引 力 相 引 而 結(jié)合 在 一 起 稱 為 分 子 鍵 。 特 性 ： 分 子 晶 體 因其 結(jié) 合 鍵 能 很 低 ， 所以 其 熔 點 很 低 ， 硬 度也 低 。 但 其 絕 緣 性 良好 。 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點結(jié) 合 鍵 的 特 性問 題 ： 金 屬 原 子

7、為 什 么 趨 于 規(guī) 則 排 列 ？ 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點結(jié) 合 力 與 結(jié) 合 能以 雙 原 子 模 型 為 例 （ NaCl）吸 引 力 ： 正 離 子 與 負 離 子 （ 電 子 云 ） 間 靜 電 引 力 ， 長 程 力排 斥 力 ： 正 離 子 間 ， 電 子 間 的 作 用 力 ， 短 程 力結(jié) 合 力 吸 引 力 排 斥 力 ;結(jié) 合 能 吸 引 能 排 斥 能2 210 )( r qZqZkFC 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點Where Fc is the coulombic force of attraction between t

8、wo oppositely charged ions, r is the separation distance between the centers of the ions, Z is the valence of the charged ion, q is the charge of a single electron(0.16x10-18C),and k0 is a proportionality constant(9x109V.m/C) 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點 /rr eF Where Fc is repulsive force, and are experi

9、mentally determined constants for a given ion pair. 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點結(jié)合力與結(jié)合能 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點結(jié) 合 力 與 結(jié) 合 能原 子 間 必 須 保持 一 定 的 平 衡距 離 ， 這 是 固態(tài) 金 屬 中 的 原子 趨 于 規(guī) 則 排列 的 重 要 原 因 。 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點 1.1 金 屬 原 子 間 的 鍵 合 特 點Example1-2(1) Calculate coulombic force of attraction between Na+

10、 and Cl- in NaCl (rNa+=0.098nm, rCl-=0.181nm, 1V.C=1J)(2) What is the repulsive force in this case? 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)材 料 的 原 子 排 列非 晶 態(tài) 原 子 排 列 短 程 有 序 或 無 序 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)非 晶 體 的 特 點 是 ： 結(jié)構(gòu) 無 序 ； 物 理 性 質(zhì) 表現(xiàn) 為 各 向 同 性 ； 沒 有固 定 的 熔 點 ； 熱 導(dǎo) 率（ 導(dǎo) 熱 系 數(shù) ） 和 膨 脹 性小 ； 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)晶 體 基 元 在 三

11、 維 空 間 呈 規(guī) 律 性 排 列長 程 有 序單 個 的 原 子 、 離 子 、 分 子 或 彼 此等 同 的 原 子 群 或 分 子 群 等 。 晶 體 的 主 要 特 點 是 ： 結(jié) 構(gòu) 有 序 ； 物 理性 質(zhì) 表 現(xiàn) 為 各 向 異 性 ； 有 固 定 的 熔 點 ； 在 一 定 條 件 下 有 規(guī) 則 的 幾 何 外 形 。 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)空 間 點 陣 是 一 個 幾 何 概 念 ， 它 由 一維 、 二 維 或 三 維 規(guī) 則 排 列的 陣 點 組 成 。 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)剛 球 模 型 用 剛 球 代 表 空 間 排 列 的 原

12、 子晶 格 剛 球 抽 象 為 質(zhì) 點 ， 構(gòu) 成 空 間 格 架晶 胞 保 持 點 陣 幾 何 特 征 的 基 本 單 元 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)布 拉 菲 在 1948年 根 據(jù) “ 每 個 陣 點環(huán) 境 相 同 ” 的 要 求 ， 用 數(shù) 學(xué) 分 析法 證 明 晶 體 的 空 間 點 陣 只 有 14種 ，稱 為 布 拉 菲 點 陣 ， 分 屬 7個 晶 系 。 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)晶 系 軸 (棱 邊 )之 間 的 夾 角三 斜 晶 系單 斜 晶 系斜 方 晶 系正 方 晶 系菱 方 晶 系六 方 晶 系立 方 晶 系 1.2 金 屬 晶 體 典 型

13、結(jié) 構(gòu)晶 體 結(jié) 構(gòu)構(gòu) 成 晶 體 的 基 元 在 三維 空 間 的 具 體 的 排 列方 式 = 空 間 點 陣 + 基 元 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)晶 胞 中 所 含 原 子 數(shù) 晶 胞 中 所 含 原 子 數(shù) 是 指 一 個 晶 胞 內(nèi) 真 正 包 含 的 原 子 數(shù) 目 。 配 位 數(shù) 是 指 在 晶 體 結(jié) 構(gòu) 中 ， 與 任 一 原 子 最 近 鄰 且 等 距 離 的 原 子 數(shù) 。 致 密 度 是 指 晶 胞 中 原 子 所 占 體 積 分 數(shù) ， 即 K = n v / V 。 式 中 ， n為晶 胞 所 含 原 子 數(shù) 、 v 為 單 個 原 子 體 積 、 V

14、為 晶 胞 體 積 。 原 子 半 徑 原 子 半 徑 是 指 晶 胞 中 原 子 密 度 最 大 方 向 相 鄰 兩 原 子 之 間 距 離 的一 半 。 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)三 種典 型晶 體結(jié) 構(gòu) 體 心 立 方面 心 立 方密 排 六 方體 心 立 方 晶 格 參 數(shù)Cr、 V、Mo、 W和-Fe等 30多 種 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)體 心 立 方 晶 格 參 數(shù) 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)體 心 立 方 晶 格 參 數(shù) 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu) 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)體 心 立 方 晶 格 參 數(shù) 1.2 金

15、 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu) 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)面 心 立 方 晶 格 參 數(shù)Al、 Cu、Ni和 -Fe等 約 20種 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)面 心 立 方 晶 格 參 數(shù) 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)面 心 立 方 晶 格 參 數(shù) 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)面 心 立 方 晶 格 參 數(shù) 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)面 心 立 方 晶 格 參 數(shù) 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)面 心 立 方 晶 格 參 數(shù) 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)密 排 六 方 晶 格 參 數(shù)Mg、 Zn、Cd、 Be等20多 種

16、1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)密 排 六 方 晶 格 參 數(shù) 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)密 排 六 方 晶 格 參 數(shù) 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)密 排 六 方 晶 格 參 數(shù) 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu) 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)晶 面 及 晶 向 的 原 子 密 度 不 同 晶 體 結(jié) 構(gòu) 中 不 同 晶 面 、 不同 晶 向 上 的 原 子 排 列 方 式 和 排 列緊 密 程 度 是 不 一 樣 的 。 下 頁 的 兩個 表 給 出 了 體 心 立 方 晶 格 和 面 心立 方 晶 格 中 各 主 要 晶 面 、 晶 向 上的 原

17、 子 排 列 方 式 和 緊 密 程 度 。 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)堆 垛 方 式堆 垛 方 式晶 向 1.2材 料 的 原 子 排 列 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)晶 向 指 數(shù)1.2材 料 的 原 子 排 列晶 向 指 數(shù) 的 確 定 方 法 建 立 以 晶 胞 的 邊 長 作 為 單位 長 度 的 右 旋 坐 標 系 。 定 出 該 晶 向 上 任 兩 點 的 坐標 。 用 末 點 坐 標 減 去 始 點 坐 標 。 將 相 減 后 所 得 結(jié) 果 約 成 互質(zhì) 整 數(shù) ， 加 一 方 括 號 。 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)晶 面 及 晶 面 指 數(shù)

18、晶 面 指 數(shù) 的 確 定 方 法 在 以 晶 胞 的 邊 長 作 為 單位 長 度 的 右 旋 坐 標 系 中 取該 晶 面 在 各 坐 標 軸 上 的 截距 。 取 截 距 的 倒 數(shù) 。 將 倒 數(shù) 約 成 互 質(zhì) 整 數(shù) ，加 一 圓 括 號 。 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)六 方 晶 系 1.2 金 屬 晶 體 典 型 結(jié) 構(gòu)多 晶 型 轉(zhuǎn) 變1.3 金 屬 的 典 型 晶 體 結(jié) 構(gòu)當 外 部 的 溫 度 和 壓 強 改變 時 ， 有 些 金 屬 會 由 一種 晶 體 結(jié) 構(gòu) 向 另 一 種 晶體 結(jié) 構(gòu) 轉(zhuǎn) 變 ， 稱 之 為 多晶 型 轉(zhuǎn) 變 ， 又 稱 為 同 素異

19、 構(gòu) 轉(zhuǎn) 變合 金 兩 種 或 兩 種 以 上 金 屬 元 素 ， 或 金 屬元 素 與 非 金 屬 元 素 ， 經(jīng) 熔 煉 、 燒 結(jié)或 其 它 方 法 組 合 而 成 并 具 有 金 屬 特性 的 物 質(zhì)組 元 組 成 合 金 最 基 本 的 獨 立 的 物 質(zhì) ， 通常 組 元 就 是 組 成 合 金 的 元 素 。 相 是 合 金 中 具 有 同 一 聚 集 狀 態(tài) 、 相 同晶 體 結(jié) 構(gòu) ， 成 分 和 性 能 均 一 ， 并 以界 面 相 互 分 開 的 組 成 部 分 1.3 合 金 相 結(jié) 構(gòu)固 溶 體 中 間 相 (金 屬 化 合 物 )間 隙 固 溶 體 置 換 固 溶

20、體相 1.3 合 金 相 結(jié) 構(gòu)固 溶 體 1.3 合 金 相 結(jié) 構(gòu)合 金 的 組 元 通 過 溶 解 形成 一 種 成 分 及 性 能 均 勻的 、 且 結(jié) 構(gòu) 與 組 元 之 一相 同 的 固 相 ， 稱 為 固 溶體 。 與 固 溶 體 結(jié) 構(gòu) 相 同的 組 元 為 溶 劑 ， 另 一 組元 為 溶 質(zhì) 。固 溶 體 的 分 類 按 溶 質(zhì) 原 子 在 溶 劑 晶 格 中 的位 置 ， 固 溶 體 可 分 為 置 換 固 溶體 與 間 隙 固 溶 體 兩 種 。 間 隙 固 溶 體置 換 固 溶 體 按 溶 質(zhì) 原 子 在 固 體 中 的 溶解 度 ， 固 溶 體 可 分 為 有 限

21、固 溶體 和 無 限 固 溶 體 兩 種 。 按 溶 質(zhì) 原 子 在 固 溶 體 內(nèi) 分布 是 否 有 規(guī) 則 ， 固 溶 體 分 為 有序 固 溶 體 和 無 序 固 溶 體 兩 種 。 置 換 固 溶 體 的 固 溶 度 晶 體 結(jié) 構(gòu) 類 型 相 同固 溶 體 的 性 能通 過 形 成 固 溶 體 而 產(chǎn) 生 晶 格 畸 變 ，使 金 屬 強 度 和 硬 度 提 高 的 現(xiàn) 象 稱為 固 溶 強 化 。固 溶 強 化 是 金 屬 強 化 的 重 要 方 式之 一 。 固 溶 體 的 綜 合 力 學(xué) 性 能 較好 ， 常 作 為 結(jié) 構(gòu) 合 金 的 基 體 相 。 1.3 合 金 相 結(jié)

22、構(gòu)固 溶 體 金 屬 化 合 物正 常 價 化 合 物 電 子 化 合 物間 隙 相 間 隙 化 合 物符 合 化 合 物 原 子 價 規(guī) 律 的 金 屬 間 化 合物 。 它 們 具 有 嚴 格 的 化 合 比 ， 成 分 固定 不 變 。 它 的 結(jié) 構(gòu) 與 相 應(yīng) 分 子 式 的 離子 化 合 物 晶 體 結(jié) 構(gòu) 相 同 ， 如 分 子 式 具有 AB型 的 正 常 價 化 合 物 其 晶 體 結(jié) 構(gòu) 為NaCl型 ， 多 為 離 子 化 合 物 。正 常 價 化 合 物 電 子 化 合 物間 隙 相 間 隙 化 合 物是 指 按 照 一 定 價 電 子 濃 度 的 比 值組 成 一 定

23、 晶 格 類 型 的 化 合 物 。 電子 化 合 物 的 熔 點 和 硬 度 都 很 高 ，而 塑 性 較 差 ， 是 有 色 金 屬 中 的 重要 強 化 相 。正 常 價 化 合 物 電 子 化 合 物間 隙 相 間 隙 化 合 物當 非 金 屬 原 子 半 徑 與 金 屬 原子 半 徑 的 比 值 小 于 0.59時 ，將 形 成 具 有 簡 單 晶 體 結(jié) 構(gòu) 的金 屬 間 化 合 物正 常 價 化 合 物 電 子 化 合 物間 隙 相 間 隙 化 合 物當 非 金 屬 原 子 半 徑 與 金 屬 原 子 半 徑 的 比 值大 于 0.59時 ， 將 形 成 具 有 復(fù) 雜 晶 體

24、結(jié) 構(gòu) 的金 屬 間 化 合 物 ， 間 隙 化 合 物 也 具 有 很 高 的熔 點 和 硬 度 ， 脆 性 較 大 ， 也 是 鋼 中 重 要 的強 化 相 之 一 。 但 與 間 隙 相 相 比 ， 間 隙 化 合物 的 熔 點 和 硬 度 以 及 化 學(xué) 穩(wěn) 定 性 都 要 低 一些 。點 缺 陷 線 缺 陷 面 缺 陷點 缺 陷 的 特 點 是 在 空 間 三 維 方向 上 的 尺 寸 都 很 小 ， 約 為 幾 個原 子 間 距 ， 又 稱 零 維 缺 陷 空 位 間 隙 原 子 置 換原 子 ， 1.4 金 屬 晶 體 缺 陷點 缺 陷點 缺 陷 線 缺 陷 面 缺 陷線 缺 陷

25、 就 是 各 種 類 型 的 位 錯 。 它 是 指 晶 體 中 的原 子 發(fā) 生 了 有 規(guī) 律 的 錯 排 現(xiàn) 象 。 其 特 點 是 原 子發(fā) 生 錯 排 的 范 圍 只 在 一 維 方 向 上 很 大 ， 是 一 個直 徑 為 3 5個 原 子 間 距 ， 長 數(shù) 百 個 原 子 間 距 以上 的 管 狀 原 子 畸 變 區(qū) 。 1.4 金 屬 晶 體 缺 陷點 缺 陷 線 缺 陷 面 缺 陷晶 體 的 面 缺 陷 包 括 晶 體 的 外 表 面（ 表 面 或 自 由 界 面 ） 和 內(nèi) 界 面 兩 類 ，其 中 的 內(nèi) 界 面 又 有 晶 界 、 亞 晶 界 、孿 晶 界 、 堆 垛

26、 層 錯 和 相 界 等 。 1.4 金 屬 晶 體 缺 陷線 缺 陷線 缺 陷線 缺 陷柏 氏 矢 量 的 主 要 特 性 ：柏 氏 矢 量 的 主 要 特 性 ：柏 氏 矢 量 的 主 要 特 性 ：柏 氏 矢 量 的 主 要 特 性 ：柏 氏 矢 量 的 主 要 特 性 ： 可 以 表 示 晶 體 滑 移 的 方 向 和 大小 。 位 錯 線 和 柏 氏 矢 量 構(gòu) 成 的 平 面定 義 為 滑 移 面 。位 錯 密 度可 用 單 位 體 積 中 位 錯 線 總 長 度 來 表 示 ， 即VL式 中 ， 為 位 錯 密度 （ m-2） ； L為位 錯 線 的 總 長 度（ m） ； V為

27、 體 積（ m3） 。線 缺 陷線 缺 陷面 缺 陷由 于 表 面 上 的 原 子 與 晶 體 內(nèi) 部 的 原 子 相 比 其 配 位 數(shù)較 少 ， 使 得 表 面 原 子 偏 離 正 常 位 置 ， 在 表 面 層 產(chǎn) 生了 晶 格 畸 變 ， 導(dǎo) 致 其 能 量 升 高 。 將 這 種 單 位 表 面 面積 上 升 高 的 能 量 稱 為 比 表 面 能 ， 簡 稱 表 面 能 。 表 面能 也 可 以 用 單 位 長 度 上 的 表 面 張 力 （ N m） 表 示 。面 缺 陷面 缺 陷面 缺 陷晶 帶 和 晶 帶 軸平 行 于 或 者 相 交 于 同 一 直 線 的一 組 晶 面 組

28、 成 一 個 晶 帶 ， 而 該直 線 叫 做 晶 帶 軸 。在 多 相 組 織 中 ， 具 有 不 同 晶體 結(jié) 構(gòu) 的 兩 相 之 間 的 分 界 面稱 為 相 界 。Example:Determine the number of vacancies needed for a BCC iron lattice to have a density of 7.87g/cm3. The lattice parameter of the iron is 2.866x10-8cm. The atomic mass of iron is 55.847g/mol. Avogadros number is

29、 6.02x1023/mol.)exp( RTQnnV where nV is the number of vacancies per cm3; n is the number of lattice points per cm3; Q is the energy required to produce a vacancy, in cal/mol; R is the gas constant, 1.987cal/molK; and T is the temperature in degrees Kelvin. Example:Design a heat treatment that will p

30、rovide 1000 times more vacancies in copper than are normally present at room temperature. About 20000 cal/mol are required to produce a vacancy in copper. The lattice parameter of FCC copper is 0.36151nm.T=375K=102bccfccbcc FeFeFe 9121394計 算 在 912 -Fe -Fe時 的 體 積變 化 率 。3 33 )43(38 )43(38)42(342 2 a aaV VVVV bcc bccfcc